Effect of ultrasonic peening on fatigue performance of aluminum alloy FSW joints with root defects
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摘要: 针对含有根部“弱连接”缺陷的铝合金搅拌摩擦焊接头,采用4点弯曲疲劳试验方法,对比了超声冲击、超声喷丸及超声冲击 + 超声喷丸处理对疲劳性能的影响. 对比分析了试样处理前后根部“弱连接”形貌、显微硬度数值和残余应力分布,探究了其提升焊接接头疲劳性能的机制. 结果表明,相较于超声冲击仅对2 × 106周次以下疲劳强度的提高,超声喷丸、超声冲击 + 超声喷丸均显著提升了高周疲劳性能,对应于2 × 106周次,疲劳强度分别提高13%和40%. 超声冲击 + 超声喷丸复合处理不仅在接头根部缺陷处形成了致密的加工硬化层,而且利用超声喷丸处理引入了更宽的压缩残余应力区域,消除了超声冲击后可能残留的叠形缺陷,进而显著改善了疲劳性能.Abstract: Four-point bending fatigue tests were carried out to investigate the effects of ultrasonic impact treatment (UIT), ultrasonic peening (UP) and UIT + UP on the fatigue properties of aluminum alloy FSW joints with root “kissing bonding” defects, and the mechanism of the fatigue performance improvement was explored by analyzing the defect morphologies, microhardness values and residual stress distributions of the samples before and after treatments. Compared with the result that the fatigue strength of FSW joints treated by ultrasonic impact treatment at the root is improved only under 2 × 106 cycles, the results show that UP and UIT + UP can significantly improve the high-cycle fatigue performance, and the fatigue strength is increased by 13% and 40% respectively, corresponding to 2 × 106 cycles. UIT combined with UP cannot only form the compact work hardening layer at the root defects of the FSW joint, increase the microhardness, but also introduce the wider compressive residual stress region near the weld root by UP, eliminate the fold defects probably caused by UIT, significantly improving the fatigue performance.
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0. 序言
搅拌摩擦焊(FSW)作为一项固相连接技术,具有焊接效率高、环境友好等优点,并因能够克服铝合金熔化焊接常存在的气孔、夹渣等缺陷,在高速轨道列车、航空航天等领域得到了日益广泛的应用[1-4]. 但是对于铝合金搅拌摩擦焊接而言,除了焊缝表面鱼鳞纹、飞边缺陷和钩状缺陷外,长焊缝焊接过程中的微小变形、下压力等工艺参数的控制不当均会导致焊缝根部受热不足,形成根部“弱连接”缺陷,继而成为影响FSW接头疲劳性能的关键因素[5-7].Dickerson等人[8]研究了含根部缺陷铝合金FSW接头力学性能,表明根部“弱连接”缺陷处材料仍为连接状态,但较周围材料强度更低、韧性更差;并且发现,相较于无缺陷焊缝,根部“弱连接”达到一定的尺寸才会显著地降低力学性能. Guo等人[9]研究了不同焊接缺陷对搅拌摩擦焊接头疲劳性能的影响,发现飞边、咬边缺陷对疲劳性能几乎没有影响,但是0.3 ~ 1.0 mm根部“弱连接”缺陷将导致FSW接头疲劳寿命的降低.
针对搅拌摩擦焊缝表面鱼鳞状缺陷,国内外学者采用滚动轧制、超声喷丸等[10-11]物理表面改性技术以及喷涂、渗碳等表面化学改性方法[12]进行了相关探究. 超声喷丸可以引入残余压应力,但会增加FSW接头表面粗糙度、产生微裂纹,从而造成负面影响;碾压可有效降低接头表面粗糙度,但飞边的存在会导致处理效果不均匀;喷涂处理则存在与FSW接头上表面结合较差的问题[13]. 借鉴于已有研究发现各种处理方法的优点与不足,并针对FSW接头根部“弱连接”缺陷的特征[8],采用超声冲击、超声喷丸及超声冲击 + 超声喷丸3种方案对含0.5 mm“弱连接”缺陷FSW接头的根部进行了强化处理,并探究了3种方案对含根部“弱连接”缺陷FSW接头疲劳性能的改善效果及作用机制.
1. 试验方法
试验所用材料为6082-T6铝合金板材,力学性能如表1所示. 参照文献[9]研究结论,为制备含根部缺陷FSW接头,采用10 mm厚专用搅拌头按照转速为300 r/min、焊接速度为80 mm/min的优化工艺参数组合对12 mm厚的铝合金板进行对焊,焊后接头根部典型“弱连接”缺陷如图1所示. 随后,将上、下表面共铣削去除3 mm,获得尺寸为500 mm × 300 mm × 9 mm含0.5 mm根部“弱连接”的FSW接头. 采用表2所示工艺参数进行相应的超声冲击和超声喷丸处理,根据FSW接头处理状态不同,分为焊态(AW)、超声冲击态(UIT)、超声喷丸态(UP)和超声冲击 + 超声喷丸态(UIT + UP). 超声冲击采用UIT-500超声冲击机,沿着FSW接头焊根超声冲击一道;超声喷丸采用UPM-300超声喷丸机,超声喷丸范围为垂直焊缝根部60 mm宽.
表 1 铝合金6082-T6板材的力学性能Table 1. Mechanical properties of 6082-T6 plate屈服强度
ReL/MPa抗拉强度
Rm/MPa断后伸长率
A(%)282 320 17.4 表 2 超声冲击处理工艺参数Table 2. Processing parameters of ultrasonic impact处理工艺 振幅H/μm 频率f/kHz 行走速度v /(mm·min−1) 超声冲击(UIT) 22.7 17.88 0.033 超声喷丸(UP) 20.9 16.31 0.023 垂直于焊缝线切割制备尺寸为140 mm × 30 mm × 9 mm的4点弯曲疲劳试样,如图2所示. 疲劳试验采用PLG20高频疲劳试验机,载荷等幅正弦曲线变化,应力比r为0.1,试验频率为90 Hz,设定条件疲劳极限对应循环周次N为107. 根据式(1)计算4点弯曲疲劳试验载荷,即
$${\sigma _{{\rm{no}}m}} = \frac{{6P\left( {L{{ - t}}} \right)}}{{{{w}}{h^2}}}$$ (1) 式中:w为试样宽度;h为试样厚度;P为试验机施加外载荷;L为支撑辊间距;t为载荷辊间距.
垂直于焊缝截取100 mm × 10 mm × 9 mm的试样若干,采用keller试剂(HF∶HCl∶HNO3∶H2O = 2∶3∶5∶190)进行金相腐蚀. 采用DX5800光学显微镜观察组织形貌、采用HV-1000B (100 gf,加载15 s)数字维氏硬度仪进行硬度测试,测试点距离试样底部边缘距离为0.1 mm,测试点间隔为2 mm. 采用JSM-7800F型扫描电镜进行疲劳断口观察.
对不同种处理状态试样焊根区域进行电解抛光(电解液NaCl,电压为20 kV,电解时间为15 s),采用X射线衍射仪(PROTO-iXRD)完成残余应力测试.
2. 试验结果
2.1 接头疲劳试验结果
对于含有0.5 mm根部“弱连接”缺陷的原始焊态、焊根部位分别经过超声冲击、超声喷丸的3种FSW接头疲劳试样,分别采用名义应力范围为140,120,100,90,80和70 MPa应力等级中的5个应力等级完成疲劳测试;而对于超声冲击 + 超声喷丸处理的试样选择140,135,130,120,110 MPa的高应力等级进行了试验. 每个名义应力等级至少使用3个试样进行疲劳试验,试验结果如图3所示.
由图3可以看出,相较于含有0.5 mm根部“弱连接”缺陷的焊态FSW接头,超声冲击处理在2 × 106周次以内对疲劳寿命起到了改善作用,但是在较低循环应力水平下,疲劳寿命反而更低. 而超声喷丸、超声冲击 + 超声喷丸处理的两种状态FSW接头疲劳寿命均有显著地提高,对应于2 × 106周次循环寿命,疲劳强度分别提升了13%和40%.
相较于超声冲击技术强化FSW接头根部“弱连接”而言,超声冲击 + 超声喷丸提升抗疲劳性能处理方案效果更佳,对应于2 × 106周次循环寿命,疲劳强度从87 MPa提高至123 MPa,提升了40%. 因此,文中从处理前后微观组织、显微硬度和残余应力的角度进行了对比研究.
2.2 微观组织对比
为了对比超声冲击 + 超声喷丸处理前后FSW接头的微观组织特征,利用光学显微镜对含根部“弱连接”缺陷的FSW焊态、超声冲击 + 超声喷丸试样的截面进行观察.图4a, 4b为6082-T6铝合金FSW接头焊态试样截面宏观形貌和显微组织,图4c, 4d为超声冲击 + 超声喷丸处理后的6082-T6铝合金接头的截面宏观形貌及显微组织.
从图4的微观组织对比中可以明显看到,经超声冲击 + 超声喷丸处理的FSW接头根部由于强烈的冲击作用发生了塑性变形,如图4d中C区所示. 对比其微观组织特征可以发现,处理后接头背部近表面晶粒变得更加细小、致密,这是由于强烈的塑性变形作用导致的.
对比分析图4b、4d,可以发现经过超声冲击 + 超声喷丸处理的试样,根部“弱连接”缺陷形貌发生了明显改变. 首先,图4d中A区尽管由于腐蚀时间过长出现了腐蚀坑,但可以清楚看到由于超声冲击的作用,“弱连接”的形貌发生了卷曲变形;而位于近表面的B区,在“弱连接”走向变化的基础上,部分区域出现了间歇性的“弱连接”闭合现象,这与该区域受到超声喷丸处理有关;在C区可以看到明显的晶粒取向变化——由水平方向变为斜向上,这也与超声喷丸处理过程的挤压作用有关,也佐证了部分“弱连接”发生闭合现象是由于超声喷丸的作用.
2.3 接头显微硬度
对含有0.5 mm根部“弱连接”缺陷的FSW原始焊态、超声冲击 + 超声喷丸处理两种试样的焊缝横截面进行了显微硬度测试,显微硬度分布曲线如图5所示.
由图5可以看出,经超声冲击 + 超声喷丸处理后的接头试样硬度值得到显著提升. 其中超声冲击中心位置区域提升最为明显,达到了38%;在距离焊根中心10 mm处提升幅度仍达到14%.
图5中的硬度分布曲线呈“V”形分布,焊态试样焊缝中心的硬度值处于最低点,而超声冲击 + 超声喷丸处理后的焊缝中心由于经历了大塑性变形,故硬度值要略高于其附近两侧.
2.4 接头残余应力
针对根部“弱连接”FSW接头焊态和超声冲击 + 超声喷丸处理后的根部区域,采用X射线衍射法对表层残余应力进行了对比测量,测量位置及结果如图6所示. 考虑到FSW接头所承受外部疲劳载荷的作用方向,在此主要对横向残余应力进行了对比.
由图6可以看出,在含有0.5 mm根部“弱连接”的FSW接头根部两侧分布着最高值为22 MPa的压缩残余应力,随着到焊缝中心距离的增大,逐渐转变为低值的拉伸残余应力,最大值不超过25 MPa.
在超声冲击 + 超声喷丸处理含有0.5 mm根部“弱连接”缺陷后的区域,则呈压缩残余应力分布. 最大压缩残余应力为159 MPa,出现在距超声冲击所处理根部后退侧1 cm处.
3. 分析与讨论
将含有根部“弱连接”缺陷的铝合金FSW接头与超声冲击、超声喷丸和超声冲击 + 超声喷丸处理后的接头疲劳寿命相对比,发现了3种超声冲击技术均可起到不同程度的延寿作用,尤以超声冲击 + 超声喷丸处理效果最佳. 相同循环应力等级下的焊态及超声冲击 + 超声喷丸处理态FSW接头试样疲劳断口,如图7所示. 可以看出,相较于焊态接头,超声冲击 + 超声喷丸对根部的处理,促使含“弱连接”缺陷接头从更多处疲劳裂纹源处启裂,更均匀地承载了疲劳载荷,有效延长了疲劳裂纹扩展初始阶段的疲劳寿命. 较焊态接头,超声冲击 + 超声喷丸态接头疲劳扩展区具有起伏更大的撕裂棱,说明发生了更为充分的塑性变形[14],同样印证了其具有较高疲劳寿命的原因.
图 7 疲劳试样断口形貌Figure 7. Morphologies of fracture of specimens after fatigue test. (a) macro-morphology of as-welded FSW joint fatigue specimen; (b) macro-morphology of UIT + UP FSW joint fatigue specimen; (c) micro-morphology of as-welded FSW joint fatigue specimen; (d) micro- morphology of UIT + UP FSW joint fatigue specimen从微观组织分析可知,在超声冲击处理后,焊根“弱连接”缺陷处形成了致密的梯度微观组织,随后的超声喷丸处理不仅消除了超声冲击可能留有对疲劳性能恶化的“叠形缺陷”,而且同样在根部区域细化了晶粒,继而对延寿起到了较好的作用. 此外,超声冲击 + 超声喷丸显著提高了FSW接头根部及“弱连接”附近区域的硬度,并引入了峰值约为160 MPa的压缩残余应力. 由于铝合金FSW接头前进侧和后退侧在焊接过程中热输入量的差异,导致在超声冲击 + 超声喷丸处理对硬度的提高和压缩残余应力的引入略有不同,但是均对疲劳寿命的提升具有极为积极的作用.
4. 结论
(1)对于含0.5 mm根部“弱连接”缺陷的铝合金搅拌摩擦焊接头,对根部进行超声冲击、超声喷丸或超声冲击 + 超声喷丸处理,均会提升接头疲劳性能. 对应于2 × 106循环周次,超声冲击 + 超声喷丸提高疲劳强度40%.
(2)超声冲击、超声喷丸处理在铝合金搅拌摩擦焊接头根部形成致密的梯度微观组织结构,提高了显微硬度,并引入了高值的压缩残余应力.
(3)超声冲击 + 超声喷丸通过细化搅拌摩擦焊接头根部微观组织、强化微区硬度、引入压缩残余应力以提升疲劳性能. 处理后,疲劳裂纹向由更多处裂纹源启裂的趋势转变,更均匀地承载了疲劳载荷,有效延长了疲劳裂纹扩展初始阶段的疲劳寿命.
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图 7 疲劳试样断口形貌
Figure 7. Morphologies of fracture of specimens after fatigue test. (a) macro-morphology of as-welded FSW joint fatigue specimen; (b) macro-morphology of UIT + UP FSW joint fatigue specimen; (c) micro-morphology of as-welded FSW joint fatigue specimen; (d) micro- morphology of UIT + UP FSW joint fatigue specimen
表 1 铝合金6082-T6板材的力学性能
Table 1 Mechanical properties of 6082-T6 plate
屈服强度
ReL/MPa抗拉强度
Rm/MPa断后伸长率
A(%)282 320 17.4 表 2 超声冲击处理工艺参数
Table 2 Processing parameters of ultrasonic impact
处理工艺 振幅H/μm 频率f/kHz 行走速度v /(mm·min−1) 超声冲击(UIT) 22.7 17.88 0.033 超声喷丸(UP) 20.9 16.31 0.023 -
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1. 李沫琦,陈书锦,孟令斐,高源,张帅,刘建华,贺鹏. 基于激光视觉的搅拌摩擦焊缝表面缺陷检测与控制. 应用激光. 2025(02): 157-167 . 百度学术
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